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今天带来的是海南大学郭靖、郭锐团队开发了基于硫醇-烯点击光聚合的无溶剂封装材料TECP;该材料可在室温、UV 照射下<30s 快速固化,形成致密、疏水(水接触角 100.6°)、机械稳健且高光学透明的网络,无残留单体/溶剂释放;TECP封装后PSCs 的PCE几乎无损失(封装前 25.49% vs 封装后 25.41%),且展现卓越环境稳定性:在85% RH、65℃湿热老化 1100h 后保留 91.5% 初始效率,经-40~85℃ 250 次热循环后保留 94.0% 初始效率
研究背景:钙钛矿太阳能电池封传统封装技术存在显著缺陷。1、热压封装技术:需120-160℃高温(部分材料如PU、EVA、POE需140℃以上处理15-30min),虽能提升水汽/氧气阻隔性,但会破坏热敏感的钙钛矿层。2、常规 UV固化胶:虽可室温加工,但含丙酮、乙酸乙酯等溶剂(用于调节黏度),残留溶剂会溶解有机传输层与钙钛矿晶体;且丙烯酸类树脂固化时自由基浓度高、放热剧烈,易因氧气干扰导致固化不完全,加速钙钛矿离子迁移与性能衰减。
核心策略:无溶剂 TECP 封装材料
TECP(硫醇-烯共聚物)通过巯基功能化聚硅氧烷(MPS)与季戊四醇四丙烯酸酯(PET4A)的硫醇-烯点击光聚合制备,属于逐步增长聚合,区别于传统丙烯酸树脂的自由基链增长聚合。
1、致密疏水网络:物理阻隔水汽/氧气:TECP 通过硫醇-烯逐步增长聚合形成交联致密的聚硅氧烷网络,硅氧烷主链本身具有高疏水性(水接触角 100.6°),且网络无孔隙,能有效阻挡外界水汽(WVTR 仅 0.309g・m⁻²・day⁻¹)与氧气侵入钙钛矿层,避免钙钛矿因水解/氧化生成 PbI₂等降解产物;
2、低内应力与强黏附:抑制界面分层:TECP 未固化时对ITO基板接触角仅 13.0°(高润湿性),固化后剪切强度达 0.61MPa,能与 PSCs 各功能层(ITO、Ag 电极、C₆₀/BCP 层)形成紧密界面结合,避免热循环(-40~85℃)中因热膨胀系数差异产生内应力导致的界面分层;同时,逐步增长聚合无剧烈体积收缩,不会像 PET4A 那样因收缩产生微裂纹(SEM 观察到 PET4A 封装膜有裂纹);3、化学惰性与低放热:保护钙钛矿晶体结构:TECP 无残留溶剂 / 单体,不会与钙钛矿(Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃)发生化学反应;且固化放热低(37.8℃),不会导致钙钛矿晶体热分解或离子迁移加速(如N81 因放热高导致 PCE 从 25.07% 降至 22.22%),XRD证实 TECP 封装钙钛矿在 100℃热老化后仍保持原始晶体结构。
器件性能与稳定性:
1、器件结构与效率保留
结构:ITO/4PADCB/Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃/C₆₀/BCP/Ag;
效率保留:封装前 PCE 为 25.49%,封装后 24h(氮气环境)PCE 为 25.41%,几乎无损失;而传统材料封装器件效率衰减明显(如 N81:25.07%→22.22%,UV 环氧:25.05%→21.18%)。
2、环境稳定性测试结果
湿热老化测试(85% RH、65℃):TECP 封装器件 1100h 后保留 91.5% ;
热循环测试(-40~85℃):250 次循环后,TECP 封装器件保留94.0% ;
操作稳定性测试(AM 1.5G 光照、55±5℃、20-30% RH):1000h 后,TECP 封装器件稳定功率输出(SPO)保留 90.7%。
器件制备
1. ITO 基板预处理
清洗:取 1.1mm 玻璃 / ITO 基板(15Ω/sq,1.5cm×1.5cm),依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗,每步时长 20min;
干燥与活化:用氮气气流吹干基板,再经紫外臭氧处理 30min,完成后用于后续膜层沉积。
2. 空穴传输层制备
SAMs 层沉积:在氮气手套箱内,将4PADCB的乙醇溶液旋涂于 ITO 基板,3000r.p.m、30s,加速度 1000rpm・s⁻¹;旋涂后 100℃退火 10min,冷却至室温;
Al₂O₃-NPs 层沉积:取 20wt% Al₂O₃分散液(20μL/mL,溶剂为异丙醇),旋涂于 ITO/4PADCB 基板,参数为 5000rpm、30s,加速度 2500rpm・s⁻¹,用于优化钙钛矿前驱体铺展性。
3. 钙钛矿活性层制备
前驱体配制:制备 1.5M FAPbI₃前驱液,将 1.8mmol FAI、1.8mmol PbI₂溶解于 1mL DMF/DMSO 混合溶剂(800μL DMF+200μL DMSO),加入 15mol% MACl 和 2mol% PbI₂;60℃搅拌 1h 后,用 0.22μm 聚四氟乙烯膜过滤;
旋涂沉积:将前驱液旋涂于 ITO/4PADCB/Al₂O₃-NPs 基板,参数为 6000rpm、30s,加速度 2000rpm・s⁻¹;旋涂至 20s 时,向基板表面滴加 150μL 氯苯;
退火与表面修饰:旋涂后在空气环境中 120℃退火 20min,冷却至室温;取 1mg/mL F-PEAI 异丙醇溶液,旋涂于钙钛矿膜表面,参数为 4000rpm、30s,加速度 2000rpm・s⁻¹;旋涂后 100℃退火 5min(全程手套箱内控制温度 20-23℃,水 / 氧含量<0.1ppm)。
4. 电子传输层与电极蒸发
将上述基板转移至蒸发系统,依次热蒸发沉积以下膜层:25nm C60(速率 0.3Å/s)、7nm BCP(速率 0.1Å/s)、100nm Ag(速率 1Å/s);若用于长期稳定性测试,用原子层沉积(ALD)制备的 15-20nm SnO₂替代 BCP,并热蒸发 80nm Au(速率 0.5Å/s)。
5. 器件封装
封装材料配制:将 1.0g MPS、0.6g PET4A、50μL 光引发剂 1173 混合于玻璃瓶,搅拌 3min 后静置 3-5min,得到未固化TECP;
涂覆与固化:取 50μL 未固化 TECP,2000rpm 旋涂 30s 于盖板玻璃;将盖板玻璃对准 PSCs 器件覆盖,用 405nm 紫外光源照射 60s 完成固化,最终器件结构为 ITO/PSCs/TECP/ 盖板玻璃;
其他封装材料流程:丙烯酸树脂、PET4A、N81、UV 环氧的封装步骤与 TECP 一致,仅替换封装材料本身
图文速览
论文信息
用于钙钛矿太阳能电池无损封装的无溶剂硫醇-烯光聚合Solvent-Free Thiol-Ene Photopolymerization for Non-Destructive Encapsulation of Perovskite Solar Cells期刊:《Advanced Functional Materials》时间:2025年10月9日作者:Shangzhi Li, Yuheng Li, Le Wang, Long Luo, Yaoguang Rong, Haisheng Song, Jing Guo, Rui Guo, Xiong Li查看原文(点击底部阅读原文跳转):https://doi.org/10.1002/adfm.202519377
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